淬硬鋼斜面銑削路徑試驗研究

□ 余新偉□ 胡映寧□ 張廷杰□ 胡珊珊□ 王成勇

1.格特拉克（江西）傳動系統有限公司 南昌330044

2.廣西大學機械工程學院 南寧530004

3.廣東工業大學機電工程學院 廣州510006

1 研究背景

在機械加工中，球頭銑刀適用于加工自由曲面，被廣泛應用于模具的精加工。然而，在使用球頭銑刀精銑平面時，由于刀尖處的切削速度為零，會導致刀具壽命縮短。因此，在對平面進行加工時，為了避免刀尖參與切削，通常需要將刀具傾斜一個角度，這種使刀具軸線與平面法線成一定角度的方法稱為傾斜加工法［1］。在三軸加工中心上采用這種方法加工時，相當于銑削斜面，而在許多斜面銑削中，除常規的等高銑削、沿斜面銑削外，還需要各種沿斜線銑削加以輔助來完成結構復雜零件的加工。

近年來，學者們對在不同走刀方式、不同角度斜面情況下銑削斜面時的切削力進行了一些試驗研究。張慶力［2］對采用φ6 mm球頭銑刀高速加工P20模具鋼斜面時的銑削方式和工藝參數進行了試驗研究，發現隨著斜面角度的增大，切削力開始增大，但當斜面角度超過45°時，隨著斜面角度繼續增大，切削力反而有所減小。王巧生［3］采用φ2 mm球頭銑刀對不同角度的S316H模具鋼斜面進行了高速加工試驗，結果發現，采用水平走刀方式時的切削力比沿斜面方向走刀時更為平穩。Kang等［4］采用φ10 mm球頭銑刀以不同走刀方式在模具鋼（洛氏硬度HRC50）的15°和45°斜面上進行了高速銑削試驗，結果表明，在銑削同一角度斜面時，向上的走刀方式比向下的走刀方式切削力更小。梁良等［5］根據球頭銑刀高速銑削斜面的特點，建立了在豎直向上和向下、水平向上和向下四種走刀方式下高速銑削45°斜面，以及在豎直向下走刀方式下高速銑削30°、60°、75°斜面的三維有限元模型，以分析不同走刀方式下的銑削斜面，以及在銑削不同角度斜面時其切削力和切削溫度的變化規律，模擬結果表明，在銑削45°斜面時，采用向上走刀方式較向下走刀方式的切削力幅值小、波動大、切削溫度高；采用豎直向下走刀方式銑削大角度斜面時，也出現類似情況。田美麗等［6］應用正交試驗法進行了球頭銑刀銑削lCr18Ni9Ti不銹鋼斜面銑削力試驗，得出當工件斜面傾角小于20°時，要考慮球頭刀其刀軸與斜面法向夾角的大小，以避免球頭端部銑削。鄧敏等［7］采用φ1.5 mm TiAlCN涂層硬質合金球頭銑刀對S136模具鋼進行高速干式銑削試驗分析，分析出各切削用量對切削力、振動及噪聲的影響。雷彬等［8］研究得出，當球頭銑刀高速銑削時，刀刃圓角與加工參數之間的關系對加工質量有明顯影響。藍偉文［9］通過研究得出，調整球頭銑刀軸線與工件加工表面之間的傾斜角度能有效改善切削條件，降低工件加工表面粗糙度值。付敏等［10］通過試驗數據表明，隨著刀具軸線相對于進給方向傾斜角度的增大，切削力減小，但當傾斜角度達到15°后，隨著傾斜角的增加，切削力減小不再明顯。

以上對于斜面的切削路徑都采用的是等高銑削或沿斜面銑削，或研究球頭銑刀軸線與加工表面角度的傾角對切削質量的影響，但對于直接沿斜線銑削的研究甚少。筆者正是對采用常規的等高銑削、沿斜面銑削及多種角度非常規的沿斜線銑削路徑進行試驗，測定其切削力、切削振動及表面粗糙度，以評定各路徑的切削性能。

2 試驗條件與方案

在統一切削參數條件下，采用φ2 mm球頭銑刀在高速加工中心上采用等高銑削、沿斜面銑削及沿斜線銑削多種加工路徑銑削淬硬鋼斜面，并用測力儀、測振儀記錄切削過程中的切削力及切削振動，加工完成后，用表面粗糙度儀測量已加工淬硬鋼斜面的表面粗糙度。以最小切削力及切削振動、最小已加工表面粗糙度值為目標，優化斜面切削路徑。試驗系統如圖1所示，試驗條件、各加工路徑說明及試驗切削參數如下。

2.1 試驗條件

具體試驗設備見表1。

表1 試驗設備

2.2 試驗加工路徑

筆者涉及的斜面銑削加工路徑主要有等高銑削、沿斜面銑削兩種常規的斜面銑削路徑（表2）及非常規的沿斜線銑削加工路徑（表3），有五個走刀夾角、兩種進給方向、兩種走刀方向，總共20種加工路徑。

2.3 試驗參數

切削參數取值：軸向切深Ad=0.05 mm，徑向切深Rd=0.10 mm，每齒進給量fz=0.016 mm/z（主軸轉速n=10 000 r/min，進給速度v=640 mm/min），按表2及表3所示的共20種加工路徑進行試驗，測量切削力、切削振動和表面粗糙度。

▲圖1 試驗系統

3 試驗結果分析

在切削過程中，刀具及工件所受切削力的作用，以及刀具振動對刀具的使用壽命和工件加工后的表面質量有著至關重要的影響，同時工件已加工表面粗糙度值是評價切削質量的重要指標，筆者主要通過以上三個參數的最小化為原則展開優化研究。

▲圖2 工件

3.1 切削力分析

圖3所示為20種不同切削路徑下的切削力，采用表2及表3中的20種切削路徑對45°傾角淬硬鋼進行銑削。

由圖3可知，在等高銑削路徑中，各路徑切削力大小趨勢為HU1＜HU2≈HD1＜HD2，等高向上進給銑削比等高向下進給銑削削切力要小，等高向上進給銑削時，待切削材料位于銑刀上方，主要是銑刀的側刃參與切削，而等高向下進給銑削時，待切削材料位于刀具下方，球頭銑刀的刀尖也參與到切削中，而刀尖的實際切削速度為零，從而直接導致等高銑削時向下進給銑削較向上進給銑削的切削力要大。而等高銑削進給相同時，順銑比逆銑的切削力要小，順銑時，實際切削厚度從大到小，而逆銑則是從小到大，逆銑時，銑刀后刀面與工件摩擦產生的力較大。切削分力中最大的是X向分力，也就是走刀方向的分力最大。

在斜線角度為30°試驗中，切削力大小趨勢是DU1＜UU1＜UD1＜DD1。由于進給向下銑削時刀尖參與銑削，導致其切削力較進給向上要大。UD1＜DD1，則是由于走刀向上較走刀向下的切削力要小及順銑切削力較逆銑要小的雙重作用所導致。而DU1＜UU1，盡管UU1路徑走刀方向向上，而DU1路徑走刀方向向下，按走刀方向，應該是UU1＜DU1，實際結果卻相反，主要原因是：UU1為逆銑，DU1為順銑，順銑切削力小于逆銑，此時順逆銑切削方式對切削力的影響作用較走刀方向的作用要大。

在斜線角度為45°試驗中，切削力變化趨勢是UU2＜DU2＜UD2＜DD2，除UU2＜DU2與斜線角度為30°不同外，其它基本一致，UU2走刀方向向上逆銑，DU2走刀方向向下順銑，UU2＜DU2， 說明在沿45°斜線銑削中，走刀方向對切削力的影響作用較順逆銑切削方式的作用大。

在斜線角度為60°試驗中，切削力變化趨勢是DU3＜UU3＜UD3＜DD3，與斜線角度為30°時試驗結論完全一致。

表2 常規斜面銑削加工路徑種類

表3 非常規斜面銑削加工路徑種類

與上述各路徑類似，在常規斜面銑削加工中，沿斜面向上走刀銑削比沿斜面向下走刀銑削的切削力要小。同樣，沿斜面銑削進給方向向下，順銑比逆銑的切削力要小，各路徑切削力大小順序是VU1＜VU2＜VD1＜VD2。

根據進給方向、走刀方向、順逆銑切削方式及待切削材料位置的相似性，將設計的20種切削路徑分為四小 組 ：HU2、UU、VU2；HU1、DU、VD1；HD1、UD、VU1；HD2、DD、VD2（下文中四組分類與此相同）。并以在工件斜面內進給方向直線與水平線的夾角為X軸作各小組切削力對比，如圖3（b）所示，可以看出，在銑削過程中的切削力，隨著在工件斜面內切削路徑的進給方向直線與斜面水平方向夾角角度的增加而減小，直到60°后又轉為隨角度增大而增大，合力的區別主要由X向及Y向切削力的差異造成，特別是X向。一方面是因為銑削時，走刀方向的切削力最大，而隨著斜線角度的增大，走刀方向的切削力在Y軸方向上的分力逐漸增大，而在X軸方向上的分力逐漸減小；另一方面與待切削材料相對于銑刀的位置有直接關系。以切削力最小為優化標準，斜面銑削加工路徑進給方向與斜面水平線的夾角應選擇60°為宜。

3.2 切削振動分析

圖4所示為不同切削路徑下的切削振動，四種等高銑削路徑的切削振動從小到大的順序是HD2＜HD1≈HU1＜HU2，可以看出在等高銑削中大致的規律：向上進給銑削，待切削材料位于銑刀上方，刀尖不參與切削，而向下進給銑削，待切削材料位于刀具下方，刀尖也參與切削，刀刃與工件接觸面積更大，這樣與向下走刀銑削相比，向上銑削時銑刀受力更加不平衡，導致向上走刀銑削的切削振動比向下走刀銑削切削的振動要大；由于順銑時實際單齒切削厚度從大到小變化，切削刃一接觸便是較大厚度，振動較大，而逆銑時其切削厚度由小到大逐步過渡，切削過程平穩，振動較小。但實際試驗中切削振動HU1＜HU2，主要是因為HU2切削力比HU1大，導致其順逆銑方式對切削振動的作用效果無法體現出來。

由圖4（a）可知，同種角度下在非常規斜面銑削中與向下走刀/進給相比，因向上走刀/進給時銑刀與工件接觸面積小，銑刀受力不均衡，導致向上走刀銑削要比向下走刀銑削的切削振動大，順銑振動比逆銑大，沿斜線銑削各切削路徑基本符合這兩個規律。在斜線角度為30°試驗中，切削振動變化趨勢是UU1＞UD1＞DU1＞DD1，在斜線角度為45°試驗中，切削振動變化趨勢是UD2＞UU2＞DU2＞DD2， 在斜線角度為60°試驗中，切削力變化趨勢是UU3＞UD3＞DU3＞DD3。

在常規斜面銑削加工中，切削振動不符合順銑振動大于逆銑及向上走刀/進給比向下大的規律，這主要是因為沿斜面銑削時，振動大小受切削力的影響很大，從而與切削力規律一致，為VU1＜VU2＜VD1＜VD2。

在工件斜面的平面內，切削路徑進給方向與水平線夾角從0～60°中都符合向上走刀的切削振動大于向下走刀，順銑的切削振動大于逆銑。如圖4（b）所示，當這一角度大至90°時，即為沿斜面銑削時，切削振動的規律與角度在0～60°時相反。并且切削振動隨該角度的增大而先減小再增大，拐點位置在30°處，即在所給的切削參數條件下，切削路徑進給方向與斜面水平方向成0°、30°、45°、60°、90°的五種角度銑削路徑中，30°沿斜線銑削路徑的切削振動為最小，是30°時切削力及該路徑下刀具與工件形成接觸面積綜合作用的結果。

3.3 表面粗糙度分析

▲圖5 不同切削路徑下的已加工表面粗糙度

由圖5可看出，在等高銑削中，等高向上進給銑削比等高向下進給銑削的表面粗糙度值要小，逆銑比順銑后的表面粗糙度值小，其表面粗糙度值變化趨勢為HU2＜HU1＜HD2＜HD1。 向上進給切削時，球頭銑刀刀尖不參與切削，參與切削的側刃鋒利，利于切削加工，其銑削出的工件表面質量較好，而向下進給銑削時，由于有球頭銑刀刀尖的參與，而刀尖處的實際切削速度為零，且刀尖處有過渡橫刃的存在，橫刃角度呈負前角，不利于切削。

在斜線銑削中，角度為30°斜線銑削的表面粗糙度值大小順序是UU1＜DD1＜UD1＜DU1， 角度為45°斜線銑削的表面粗糙度值大小順序是UU2＜UD2＜DD2＜DU2，角度為60°斜線銑削的表面粗糙度值大小順序是UD3＜DD3＜UU3＜DU3； 在常規斜面銑削的表面粗糙度值大小順序是VD2＜VU1＜VU2＜VD1。已加工表面粗糙度值基本符合向上走刀/進給銑削小于向下走刀/進給銑削、順銑大于逆銑的規律。圖5（b）所示為已加工表面粗糙度值隨切削角度的變化曲線，可以看出，四組曲線的變化趨勢基本為隨著切削進給方向與斜面水平線夾角的增大，先減后增再減，兩拐點分別在30°和60°處，其中在角度為30°時的已加工表面粗糙度值最小。

4 結論

基于對比，通過變換進給方向與斜面水平線的夾角、走刀方向、進給方向（順逆銑方式）的20種切削路徑的試驗，測量記錄相應切削過程的切削力、切削振動，以及已加工表面粗糙度值，依次對各切削路徑進行優選，得出以下結論。

（1）對于切削力，向上走刀/進給小于向下走刀/進給，順銑小于逆銑；切削振動與切削力相反，向上走刀/進給大于向下走刀/進給，順銑大于逆銑；已加工表面粗糙度規律與切削力基本一樣。

（2）以減小切削過程中的切削力、切削振動，以及已加工表面粗糙值度為原則，得到同一角度進給方向中：在等高銑削中的HU1加工路徑，切削力及切削振動都小，已加工表面粗糙度值居中，其綜合切削性能最好；而HD2加工路徑，切削力及已加工表面粗糙值都大，綜合切削性能最差；沿斜線銑削中的UU加工路徑，切削力及已加工表面粗糙度值都小，切削性能最佳；而DU加工路徑，已加工表面粗糙度值大及DD加工路徑切削力大，綜合切削性能差；沿常規斜面銑削中的VU1加工路徑，切削力及切削振動都小，綜合切削性能最佳；VD2加工路徑，切削力及切削振動都大，綜合切削性能最差。

（3）對比進給方向與斜面水平線的不同角度結果，在斜線60°下切削力最小，90°切削力次之，30°切削振動最小，90°切削振動最大，已加工表面粗糙度值30°最小，60°最大。因此粗加工時主要考慮降低切削力，沿角度為60°時的斜線銑削為最好，精加工時主要考慮減小切削振動及加工表面粗糙度值，選擇角度為30°時的斜線銑削為最佳，等高銑削次之。